2DEG-压电异质结构中非线性极化率与多声子混合过程的第一性原理计算

固态弹性波声子是广泛应用于量子信息应用的有前景的平台。在利用声子进行量子信息处理时，一个突出的挑战与关键能力在于实现声子间的强非线性相互作用。为此，我们提出了一种通用架构，采用由压电声学材料与二维电子气（2DEG）直接邻近组成的压电-半导体异质结构，其中压电材料承载声子模式。压电材料中的每个声子都携带电场，该电场延伸至 2DEG 中。这些电场引起 2DEG 电子的极化，进而与其他压电声子电场发生相互作用。其净结果是各种声子模式之间的耦合。我们从第一性原理推导了该系统的非线性声子极化率。我们表明，许多非线性过程在高电子迁移率下受到强烈促进，这促使了利用 2DEG 来介导非线性。我们详细推导了一阶、二阶和三阶极化率，并针对铌酸锂表面声波与 GaAs-AlGaAs 异质结构 2DEG 相互作用的情形进行了计算。我们证明，对于该系统，强三阶非线性能够使声学腔中的单声子 Kerr 频移超过实际的腔线宽，有望催生一类新型的声学量子比特。我们进一步表明，强二阶非线性可用于制造高增益的行波参量放大器，以放大——并最终检测——声学腔量子比特的输出。假设此类系统中的损耗有利，这些能力与在传输线中高效地将微波电磁场转换为声子的能力相结合，为创建全声学量子信息处理器带来了希望。